一种生物柴油的制备方法

专利名称：一种生物柴油的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种生物柴油的制备方法。
背景技术：
随着全球原油价格的不断攀升以及人们对燃烧化石燃料所带来的一系列环境问题越来越多的关注，全世界对清洁的能源越来越关注，各国开始寻找清洁、安全、可再生能代替石油柴油的能源，在诸多可替代燃料中生物柴油因其自身的优良特性而逐渐成为了最具发展潜力的可替代性燃料。与化石燃料相比，生物柴油的燃烧尾气中除了 NOx浓度稍有升高外，烟尘颗粒、SO2, CO、HC的排放均有明显的下降，而且生物柴油还具有无毒、高闪点、低粘度以及良好的润滑性等优点。此外，生物柴油的生产原料大都来自于生命周期短的植物油、动物油或工程微藻，这对缓解困扰当今世界的石油危机，能源紧缺等问题具有十分积极的意义。早期的人类利用天然的油料作为燃料时曾经尝试过直接燃烧、混合燃烧、乳化燃烧和高温裂解等方式，但这些尝试都未曾获得成功。经过数十年的努力，酯交换反应制备生物柴油的方法才被人们所广泛接受，目前，这种生产工艺已经非常成熟。现在最常有的酯交换法包括化学催化法、生物催化法和超临界流体法，其中化学催化法是工业上最常用的制备方法，即将含有或者不含游离脂肪酸的油脂和甲醇通过化学催化剂的催化生成相应的脂肪酸甲酯，再经过分离甘油、水洗、干燥等步骤获得生物柴油。通过酯交换法得到的生物柴油与普通柴油相比具有几乎相同的流动性和粘度范围，同时具有与普通柴油的完全互溶性，是一种良好的柴油内燃机燃料。世界各国纷纷根据本国国情选择合适的油脂原料生产生物柴油，现阶段，商业化的生物柴油原料主要有大豆油、油菜籽油、棕榈油和蓖麻子油，此外，还包括废弃食用油和一些动物脂肪等。然而，这些原料大多都是农业作物，大规模种植含油作物会占用大量耕地并且有可能导致粮食价格的上涨。由于产油微藻的细胞周期短、油脂含量高、环境耐受性强、培养不占用耕地等特点已经被认为是未来生物柴油生产最有潜力的原料之一。但是，有数据显示，培养产油微藻所用的糖类物质的花费可以占到整个的微藻异养培养成本的40%左右，因此,如何有效降低糖类物质的成本对于工业化生产异养微藻至关重要。一个行之有效的办法就是降解天然原料来获得可供小球藻异养生长的糖类，因此，研究者们尝试了降解玉米粉、木薯、甜高粱等粮食作物以获得糖类的方法，研究结果表明异养小球藻利用降解液生长，比直接利用葡萄糖生长的生物量提高了 15. 2-42. 3%，油脂产量提高了 8. 8-27. 7%。例如，CN1446882A公开了一种用淀粉酶解培养异养藻快速热解制备生物柴油的方法，该方法包括用淀粉酶和糖化酶协同水解淀粉，也可用黑曲霉浸液或土壤浸出液作为催化剂水解淀粉，所制得的淀粉水解液即葡萄糖溶液用来配制培养液，通过微藻异养转化和培养，获得高脂肪含量的异养藻，并收集、干燥制成颗粒大小小于O. 6毫米的藻粉；将藻粉送入热解装置中进行快速热解，气体通过多级冷凝器冷凝形成生物柴油又如，CN101475823A公开了一种以甘蔗作为原料生产生物柴油的方法，该方法包括从甘蔗提取甘蔗汁，将甘蔗汁中的多糖进行降解，使其中的碳源转化成适用于产油微藻利用的形式，得到甘蔗汁降解液，利用甘蔗汁降解液培养产油微藻，从产油微藻获得油脂，并通过酯交换的方法由油脂制备生物柴油。虽然将降解天然作物得到的可被产油微藻利用的碳源与直接采用葡萄糖作物碳源相比，产油微藻的产油量以及得到的生物柴油的主要成分及含量没有差别，但是，由产油微藻制得的生物柴油的产率仍然不够理想。

发明内容
本发明的目的在于克服采用现有技术的由产油微藻制备生物柴油的产油率较低的缺陷，提供一种产油率较高的生物柴油的制备方法。本发明提供了一种生物柴油的制备方法，其中，该方法包括下述步骤(I)在异养条件下培养产油微藻,分离得到的含油微藻；(2)在催化剂和液态烷烃的存在下，将步骤⑴得到的含油微藻与一元醇反应，从所得产物中分离得到生物柴油。本发明的发明人发现，如果先将含油微藻内的油脂萃取出来，随后在催化剂的催化下将提取的油脂与甲醇进行酯交换反应制备生物柴油，不仅费时费力，而且由于微藻细胞壁的存在导致微藻油脂的提取效率不高，因此生物柴油的产率不高。本发明的方法为在催化剂和液态烷烃的存在下将含油微藻与一元醇反应的时候，液态烷烃能够同时将含油微藻中的油脂溶出，有效提高一元醇与微藻细胞内油脂的作用强度，从而能够利于微藻中的油脂与一元醇的充分反应，以提高生物柴油的产率，并可以减少一元醇的用量，减少反应时间，即同时提高生物柴油的生产效率。本发明的发明人还发现，采用本发明的优选的实施方式，将由含纤维素的原料制得的降解液作为为微藻提供可直接利用的有机碳源的培养液的主要成分，微藻在利用这些糖类物质生长时，可以在较短的时间内快速生长并在细胞内积累大量油脂，即微藻的产油效率能够得到显著的提高。此外，利用作为农业废弃物的含纤维素的原料作为培养微藻的原料，还有效降低了由微藻制备生物柴油的原料成本，并且解决了以粮食作物作为制备培养微藻的糖类物质，会产生与人争地、粮食危机等一系列问题，不利于人类的可持续发展的问题，并为含纤维素的原料生物质的全面开发和资源化利用提供了一个新的途径。本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式
部分予以详细说明。


图I表示蛋白核小球藻在葡萄糖培养液和秸杆降解液培养液中生长情况的比较；其中，▲和 分别表示在葡萄糖培养基中，蛋白核小球藻的细胞密度和还原糖浓度；八和〇分别表示秸杆降解液培养基中，白核小球藻的细胞密度和还原糖浓度(数据为3次平行取样的平均值)；图2表示液态烷烃正己烷的用量对于生物柴油产率和脂肪酸甲脂含量的影响；其中，■和▲分别表示生物柴油产率和脂肪酸甲脂含量(数据为3次平行取样的平均值)；
图3表示甲醇用量对生物柴油产率和脂肪酸甲脂含量的影响；其中，■和▲分别表示生物柴油产率和脂肪酸甲脂含量(数据为3次平行取样的平均值)；图4表示温度和反应时间对于生物柴油产率的影响；图5表示光密度值(OD)-藻细胞干重标准曲线。
具体实施例方式按照本发明，所述生物柴油的制备方法包括下述步骤(I)在异养条件下培养产油微藻，分离得到的含油微藻；(2)在催化剂和液态烷烃的存在下，将步骤⑴得到的含油微藻与一元醇反应，从所得产物中分离得到生物柴油。其中，异养条件是指生物不能直接利用无机物合成有机物，必须从外界摄取现成的有机物来维持生活的营养方式。按照本发明，在步骤(2)中，采用一步式反应制备生物柴油，其目的在于减少了从微藻油脂到生物柴油转化过程中的中间萃取步骤，使得反应能够直接以干燥的微藻为原料直接反应得到生物柴油，且生物柴油的产率和生产效率均较高。按照本发明，所述液态烷烃可以为各种能够有效提高一元醇与微藻细胞内油脂的作用强度，从而能够利于微藻中的油脂与一元醇的充分反应的液态烷烃，优选选自正己烷、石油醚、环己烷和苯中的一种或多种。按照本发明，所述液态烷烃的用量可以在较宽的范围内选择，只要在催化剂的存在下，在使微藻内的油脂与一元醇发生酯交换反应的时候，有液态烷烃的存在即可，但是，为了在进行酯交换反应时，可以将藻细胞悬浮于溶剂中，以更加利于与一元醇的充分反应，以使生物柴油的产率得到进一步的提高，以干重为100克的含油微藻为基准，所述液态烷经的用量为100-1000晕升，进一步优选为200-800晕升。本发明对所述一元醇的用量和种类没有特别限定，只要能够保证使油脂与一元醇发生酯交换反应得到生物柴油即可，但是，为了利于生物柴油的产率的提高，以干重为100克的含油微藻为基准，所述一兀醇的用量为50-1000毫升,进一步优选为100-600毫升。所述一元醇可以为常规的可以作为生产生物柴油的一元醇，例如，碳原子数为1-4的脂肪族一元醇，更优选为甲醇。按照本发明，在步骤(2)中，所述反应的条件一般包括反应的温度和反应的时间，所述反应的温度和反应的时间的可选择反应较宽，通常情况下，所述反应温度可以为20-110°C，优选为60-110°C。反应时间的延长有利于反应物的转化率或反应产物的收率的提高，但是反应时间过长对反应物的转化率或反应产物的收率的提高幅度并不明显，因此，一般情况下，所述反应的时间可以为O. 1-4小时，优选为O. 5-2小时。按照本发明，在步骤(2)中，所述催化剂可以为以酯交换反应制备生物柴油中的各种催化剂，例如，所述催化剂可以为强酸和/或强碱；其中，所述强酸可以为硫酸，所述强碱可以为氢氧化钠。本发明对所述催化剂的用量也没有特别限定，只要能够起到催化的作用即可，优选情况下，以干重为100克的含油微藻为基准，所述催化剂在升反应体系中的浓度可以为O. 1-2. 5摩尔/升。
按照本发明，在步骤(2)中，从所得产物中分离得到生物柴油的方法可以为常规的方法，例如，可以向所得产物中加入蒸馏水，蒸馏水的用量以使整个体系分为三层，上层为液态烷烃和得到的生物柴油，中层为剩余的微藻藻渣，下层为水层。取上层液体，水洗后蒸发除去液态烷烃，即可以获得较为纯净的生物柴油。 按照本发明，在步骤(I)中，在异养条件下培养产油微藻的方法可以采用本领域常规的各种方法，例如，将产油微藻接种至含有可以被产油微藻直接利用的可发酵碳源的培养液中培养，使产油微藻在异养的状态下利用培养液中的有机碳源生长繁殖，并且在生长过程中在细胞内积累油脂。所述培养的温度一般可以为常温，例如，10_40°C，优选为20_35°C。为了更加利于微藻的生长繁殖，所述含有可以被产油微藻直接利用的有机碳源的培养液的PH值一般为6-7. 5，优选为 6. 5-7。按照本发明，培养液中的有机碳源的浓度可以在较宽的范围内调整，综合考虑培养微藻时微藻的产油效率和成本，所述有机碳源在培养液中的浓度优选为10-30克/升。培养微藻的方式可以为在任何合适的容器或者设备中进行培养,例如,摇瓶、通气瓶、发酵罐、摇床以及培养箱等。按照本发明的一个优选的具体实施方案，可以在摇床中对产油微藻进行培养。培养的温度可以为20-30°C，优选25-30°C。为了加快微藻的繁殖，还可以在光照条件下培养微藻，光强可以为30-50 μ mol/(m2s)。摇床的转速可以为100_220rpm。按照本发明的另外一个具体实施方式
，可以在发酵罐中对产油微藻进行培养，以实现大规模的工业化生产。培养的温度可以为10-40°C，优选25-35°C ;溶解氧的饱和度可以为5-50%，优选为10-40%。此外，所述培养可以在搅拌下进行，并根据发酵设备的大小、溶解氧的饱和度以及待培养的微藻的量设定适当的搅拌转速。为了在较短的时间内获得较高的微藻的生物量，微藻培养的时间的判断可以通过监测培养期间的细胞密度和培养液中可发酵碳源的消耗情况来实现。所述碳源消耗在本发明中主要是指培养液中还原糖的消耗。所述还原糖的测定方法、微藻中油脂含量的测定方法以及细胞密度的测定方法均可以采用本领域公知的合适的方法来进行测定。例如，在本发明中，采用DNS法来测量培养液中还原性糖(即可发酵碳源)的浓度(由于培养液中的主要成分为葡萄糖，所以利用DNS法可以有效测定培养液中可发酵碳源的浓度变化)，从而了解碳源的消耗情况；以及可以使用有机溶剂萃取法来评价油脂在藻细胞中的积累情况；利用分光光度计监测所述微藻的细胞密度。当具有以下特征的一项或者两项时，就认为培养达到终点1、细胞密度增加生长达到平台期；2、培养液中可发酵碳源耗尽。培养结束后得到的含油微藻中的油脂含量一般可以达到微藻干重的45-60重量％。按照本发明的一个具体实施方式
，可以在培养的过程中定时测定培养体系中的微藻细胞密度、还原糖浓度随时间的变化，取样的时间可以但不仅限于每6小时、每12小时、每24小时、每48小时等，考虑到微藻的生长特性，优选可以选取每12小时测定一次的方法，每次3组平行样，取平均值作为测量数据，培养过程中细胞密度通过分光光度计测定光密度值(OD600)来估算，估算原理根据如图5所示(生物量=O. 3192 X OD600-O. 0099，R2 =
O.9983，是标准曲线的线性拟合程度好坏的标准，越接近I越好)的OD-细胞干重标准曲线。按照本发明，可直接被微藻利用的有机碳源是指以任何形式可以被微生物直接利用的碳源，例如葡萄糖、果糖、蔗糖等糖类物质。这些糖类物质是为微藻提供能量的主要来源，因此，在步骤(I)中，所述含有可以被产油微藻直接利用的有机碳源的培养液可以是以葡萄糖等糖类物质为主要成分的培养液，此外，可以根据培养微藻的需要向培养液中添加其它所需的各种营养源，以提供氮、磷和其他无机盐。其中，所述 含有可以被产油微藻直接利用的有机碳源的培养液的配方和制备方法为本领域常规的培养产油微藻所用的配方和制备方法。例如，将淀粉质原料(所述淀粉质原料可以是玉米、薯类等)酶解，得到酶解液，并向其中添加所需的各种其他所需的营养成分而制备得到培养液，以由淀粉质原料酶解得到的酶解产物作为微藻可直接利用的有机碳源，或者直接以葡萄糖液作为培养微藻的培养液等等。优选情况下，为了进一步提高微藻的产油效率，所述有机碳源为将含纤维素原料降解得到的降解液。将含有纤维素的原料降解得到降解液制备可以被微藻直接利用的有机碳源的方法一般包括含纤维素原料的预处理和降解。含纤维素的原料经过预处理后，其中的纤维素部分可以通过水解获得葡萄糖，此夕卜，在预处理过程中少量木质素和半纤维素会转化为有机酸、有机醇类物质，也可以用于微
藻的培养。所述将含纤维素的原料进行预处理去除不能被降解的大量木质素和半纤维素，同时降低秸杆中纤维素的晶体化程度，增加多孔性。所述预处理的方法可以为本领域常规的各种预处理方法，例如物理法预处理和化学法预处理等。本发明优选采用化学法预处理，进一步优选采用酸和醇两步法进行秸杆预处理。例如，先在80-100°C下，将含纤维素的原料与三氟乙酸接触1-10小时，然后在150-250°C下，将与三氟乙酸接触后的含纤维素的原料与乙醇接触1-10小时。其中，以干重为100克的含纤维素的原料的干重为基准，三氟乙酸的用量可以为O. 5-2升，优选为1-1. 5升。三氟乙酸的质量百分比浓度可以为1-5%。以干重为100克的含纤维素的原料的干重为基准，乙醇的用量可以为O. 5-2升，优选为1-1. 5升。乙醇的质量百分比浓度可以为50-75%。并将收集得到的固体成分，烘干至恒重。为了在预处理过程中使得试剂与含纤维素的原料能够充分地接触，可以先将含纤维素的原料剪切和/或粉碎。粉碎的方法可以为工业制造领域中任何合适的人工、半自动、全自动装置进行剪切和/或粉碎的方法，例如粉碎机、压块机、揉搓机等。优选可以剪切和/或粉碎至长5-10厘米X宽O. 5-1厘米X高O. 2-1厘米的小段。将预处理后的含纤维素的原料降解，使其中的纤维素转化为微藻可吸收利用的有机碳源，优选为单糖，获得降解液的方法可以采用本领域常规的各种方法。例如酸解法、酶解法等。优选采用酶解法使含纤维的原料中的纤维素转化为葡萄糖，更优选使用复合纤维素酶降解纤维素以获得降解液。所述纤维素酶的加入用量和以及酶解的时间可以为本领域常规的用量和时间。例如，本发明优选采用杰能科公司(Genencor)提供的纤维素酶，以每IOOg底物加入80-120毫升酶的比例加入，酶解时间可以为1-24小时，优选10-20小时。经过酶解反应之后，秸杆中的大部分纤维素被转化为了葡萄糖，因此可以利用DNS法测定降解液中的残糖浓度。所得降解液可以通过稀释或者浓缩至合适浓度并经过灭菌后使用。
按照本发明，所述含纤维素原料可以是各种农作物的秸杆、草本植物的茎杆等，如玉米秸杆、稻草、小麦秸杆、高粱杆等。秸杆的纤维素含量较高，可以达到自身重量的30-40%，降解纤维素是获得葡萄糖的主要来源。因此，以秸杆为原料获得纤维素降解液异养产油微藻生产生物柴油是一个极具潜力的方法。
按照本发明，在步骤(I)中，分离得到的含油微藻的方法可以为本领域技术人员所公知的各种方法，例如离心、过滤、吸附、絮凝等。按照本发明，为了便于生物柴油的制备，优选将步骤(I)得到的含油微藻进行干燥后再进行步骤(2)的反应。所述将含油微藻干燥的方法和条件可以为本领域所常规的方法和条件，例如冷冻干燥、烘干、晾晒等方法，只要使得到的干燥的含油微藻达到恒重即可，通常，干燥的含油微藻中的水含量为小于I重量％。按照本发明，所述产油微藻指在微藻细胞内有油脂积累能力的微藻。在多种多样的产油微藻种属之中，以小球藻、拟球藻、杜氏盐藻和葡萄藻等为代表的几种微藻最具发展的潜力。其中，所述小球藻为绿藻门小球藻属(Chlorella)普生性单细胞绿藻，生态分布及其广泛，体内含有丰富的叶绿素，光合作用比其他植物高出十几倍。小球藻除了可以利用光合作用吸收二氧化碳之外，它还可以在无光照的环境中利用有机碳源快速生长，并在细胞体内积累大量的油脂，油脂含量可以高达细胞干重的50重量％以上，因此，本发明所述的产油微藻优选为小球藻，更优选蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)。下面将通过具体实施例对本发明进行进一步的详细描述。“还原糖”是指能够还原斐林(H. vonFehling)试剂或托伦斯(B. TOllens)试剂的糖，所有的单糖，不论醛糖、酮糖都是还原糖，如果糖、葡萄糖以及部分双糖也是还原糖。在本发明中，秸杆降解液中的可发酵糖主要是葡萄糖，对预处理后的秸杆酶法降解之后，酶解液中得到的是一种以葡萄为主要成分糖类物质的混合物，因而在本发明的上下文中，还原糖也可以理解为酶解液中的这些成分。“中性脂”、“中性脂肪”、“油脂”、“甘油三酯”在本说明中可以互相替换。甘油三酯是指由3分子脂肪酸和I分子甘油酯化而成的脂肪分子。绝大多数是混合的三酰甘油，即含有两种或三种不同的脂肪酸的三酰甘油。三酰甘油在常温下(25°C )呈固态者称为脂；在常温下呈液态者称为油。一般情况下，中性脂主要是指甘油三酯。在下述实施例中，采用气象色谱-质谱分析制备得到的生物柴油的组成和含量(采用DB-5MS毛细管柱(30mX O. 25mm ID DF = O. 25 μ m)，流速控制在I. OmL/分钟)。实施例I本实施例用于说明本发明提供的生物柴油的制备方法。(I)制备秸杆降解液将水稻秸杆剪成长10厘米、宽I厘米、高I厘米左右的小段，在95°C下，将所述秸杆和三氟乙酸混合预处理5小时(以干重为100克秸杆为基准，加入I升质量百分比浓度为I重量％的三氟乙酸)；浙干水分后加入到210°C的高温反应釜内与乙醇混合进行二次预处理4小时(以干重为100克秸杆为基准，加入I升质量百分比浓度为60重量％的乙醇)，收集固体成分，在105°C烘干至恒重。预处理后的秸杆，按照每20g秸杆底物加入20mL酶(商品名Genencor Accellerase 1000)和980晕升水(稻杆在稻杆与水的衆液中的浓度为20克/升)，在50°C的恒温摇床上以150rpm震荡进行酶解，酶解时间为20小时。经过酶解反应之后，利用DNS法测定降解液中的糖浓度，测得还原糖浓度为13. 7g/L，并按照下述公式计算纤维素底物水解转化率为61.7%。
权利要求
1.一种生物柴油的制备方法，其特征在于，该方法包括下述步骤 (1)在异养条件下培养产油微藻，分离得到的含油微藻； (2)在催化剂和液态烷烃的存在下，将步骤(I)得到的含油微藻与一元醇反应，从所得产物中分离得到生物柴油。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，在步骤⑵中，以干重为100克的含油微藻为基准，所述液态烷烃的用量为100-1000毫升。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，以干重为100克的含油微藻为基准，所述液态烷烃的用量为200-800晕升。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，在步骤⑵中，以干重为100克的含油微藻为基准，所述一元醇的用量为50-1000毫升；所述一元醇为碳原子数为1-4的脂肪族一元醇。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，以干重为100克的含油微藻为基准，所述一元醇的用量为100-600毫升；所述一元醇为甲醇。
6.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述液态烷烃选自正己烷、石油醚、环己烷和苯中的一种或几种。
7.根据权利要求I所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述反应的条件包括反应的温度和反应的时间，所述反应的温度为20-110°C，所述反应的时间为0. 1-4小时。
8.根据权利要求I所述的方法，其中，在步骤⑵中，以干重为100克的含油微藻为基准，所述催化剂在反应体系中的浓度为0. 1-2. 5摩尔/升；所述催化剂为强酸和/或强碱。
9.根据权利要求I所述的方法，其中，在步骤(I)中，在异养条件下培养产油微藻的方法为将产油微藻接种至含有可以被产油微藻直接利用的有机碳源的培养液中培养，培养的温度为20-30°C，所述培养液的pH值为6-7. 5 ;有机碳源的浓度为10-30克/升。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述有机碳源为将含纤维素原料降解得到的降解液。
11.根据权利要求I或9所述的方法，其中，所述产油微藻指在微藻细胞内有油脂积累能力的微藻，所述产油微藻选自小球藻、拟球藻、杜氏盐藻和葡萄藻中的一种或多种。
12.根据权利要求I所述的方法，其中，在步骤(I)中，该方法还包括干燥得到的含油微藻的步骤。
全文摘要
本发明提供了一种生物柴油的制备方法，其中，该方法包括下述步骤(1)在异养条件下培养产油微藻，分离得到的含油微藻；(2)在催化剂和液态烷烃的存在下，将步骤(1)得到的含油微藻与一元醇反应，从所得产物中分离得到生物柴油。本发明的方法为在催化剂和液态烷烃的存在下将含油微藻与一元醇反应的时候，液态烷烃能够同时将含油微藻中的油脂溶出，有效提高一元醇与微藻细胞内油脂的作用强度，从而能够利于微藻中的油脂与一元醇的充分反应，以提高生物柴油的产率，并可以减少一元醇的用量，减少反应时间，即同时提高生物柴油的生产效率。
文档编号C11B1/10GK102618381SQ20111007429
公开日2012年8月1日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年1月27日
发明者于广欣, 李朋林, 李荣秀, 纪钦洪, 缪晓玲 申请人:上海交通大学, 中国海洋石油总公司, 中海油新能源投资有限责任公司